具有速度阈值的汽车油门误踩机械锁止装置设计

郭昊,岳甲,陈功想,吴传报,甄珂

（河南科技学院机电学院,河南新乡453003）

具有速度阈值的汽车油门误踩机械锁止装置设计

郭昊,岳甲,陈功想,吴传报,甄珂

（河南科技学院机电学院,河南新乡453003）

为了防止驾驶员在紧急制动时误踩油门踏板,通过分析正常和紧急两种情况下,油门踏板被踩过程中的瞬时速度区别,设计了一种具有速度阈值的油门踏板误踩锁止装置.装置运用离心式离合器的锁止原理,即驾驶员在正常加速时,油门踏板被踩踏的速度较低,装置不锁止；而油门被误踩时速度较大,装置中的锁止机构工作,使油门踏板及时锁止,进而防止油门踏板被踩下,有效地防止误踩事故的发生,提高行车的安全性.通过对设计系统实物进行测试,实验表明装置能满足误踩油门情况下的及时锁止功能,与以往的误踩油门系统相比,可靠性和准确性均有较大提高.

油门误踩；踏板速度；机械锁止

据相关统计,在紧急情况下,驾驶人员因慌乱误踩油门而导致的交通事故占到了重大交通事故的12.6%[1].为了避免误踩油门而造成重大事故,国内已有相关人员对此作了相应的研究,并提出了相应防误踩装置的设计方案,主要分为两种形式,第一种是机械式,利用踩踏踏板力来判断是否发生误踩,在误踩时,通过机械联动装置将踩油门踏板的力转化为踩制动踏板的力[2].此类装置改变了汽车的原始结构,影响了汽车工作的稳定性.第二种是电子式,通过传感器对油门踏板的下踩速度、加速度及位置等信息进行实时的监控,并与相关参数的阈值进行比较来判断是否误踩[3-5].此类装置大多基于单片机或行车电脑的电子控制装置,判断条件较少,准确性和可靠性不高.

本文在总结前人研究的基础上,设计了一套具有速度阈值的油门踏板误踩锁止装置.该装置的主要部件是一个离心式离合器,并通过一系列的机械联动装置与油门踏板相连接.当在正常加速时,油门踏板的速度较低,装置不工作；在误踩情况下,由于油门踏板被踩下的速度较大,装置中的锁止机构工作使油门踏板及时锁止,防止驾驶员因紧张把油门踏板当作制动踏板踩下而造成严重事故.

1 油门踏板误踩锁止装置的设计

1.1 总体设计方案

机械锁止装置的具体结构如图1所示.

图1 机械装置结构Fig.1 Diagramofmechanical device structure

装置主要由左端盖内的卷收机构、右端盖内的离心式离合器及中间箱体内的联动装置组成.左端的卷收机构由涡卷弹簧和涡卷弹簧壳体组成,其作用是在工作的过程中储存能量,使装置在自由状态下可以自动回正；右端的离心式离合器的作用是在油门踏板被踩下的速度过高时,使踏板锁死,总体结构如下图2所示.

图2 离心式离合器Fig.2 Centrifugal clutch

离心式离合器主要由敏感弹簧、棘爪、棘轮盘体、棘爪槽及壳体组成.敏感弹簧在一定的拉力下被安装在弹簧导轨中,一端与棘轮盘相连,另一端与棘爪相连,使棘爪在弹簧的拉力作用下,紧贴在棘轮导轨内.中间箱体内的联动装置主要由连接带、带槽、芯轴及轴承组成,左右端盖固定在中间箱体上,芯轴通过轴承支撑在箱体正中位置,卷收机构和离心式离合器通过花键与芯轴连接,在芯轴的中间处安装有带槽,通过左端的轴肩、平键及轴套固定在中间芯轴上.在带槽内装卷有油门踏板连接带,一端与油门踏板臂连接,一端卷收在带槽内,将油门踏板与锁止装置连接在一起,使油门踏板的摆动转化为卷收机构及离心式离合器的盘体的旋转运动.当踩下油门踏板,踏板臂将卷收在带槽内的油门踏板连接带拉出,并通过芯轴带动机构左侧的卷收机构及右侧的棘轮转盘转动,在转动的过程中左侧卷收机构的窝卷弹簧收紧储存能量,右侧棘轮盘上的棘爪在同棘轮盘转动的过程中产生离心力.当正常情况踩下油门踏板时,由于油门踏板踩踏的速度较低,棘爪产生的离心力较小,不足以使离心式离合器的棘爪被甩出,装置不会锁止,油门踏板正常工作；在紧急情况时,由于油门踏板踩下的速度很大,棘爪产生的离心力较大,使离心式离合器棘爪甩出与右端盖内的棘轮卡槽结合,实现棘轮盘锁死,油门踏板无法被踩下,防止车辆因油门误踩急加速造成严重交通事故.当松开踏板后,芯轴会在涡卷弹簧作用力下回转,使油门踏板复位,并将连接带卷收进带槽内.

1.2 安装布局

机械锁止装置的安装如图3所示.

图3 机械装置布置Fig.3 Diagramofmechanical device layout

将封装于一体的机械装置5安装在油门踏板下方的汽车壳体6上,通过连接带4将汽车油门踏板与机械锁止机构连接在一起.当油门踏板被踩下时,油门踏板臂通过连接带将踏板的运动传递到机械装置的芯轴上,使机械装置随油门踏板的工作而转动.由于本机械装置仅通过连接带与油门踏板相连,因此在安装过程中对车身损伤较小,不会改变汽车内部构造,同时其结构简单、便于拆卸,可根据需要选择安装.

1.3 主要部件分析计算

由于本装置在工作的过程中,棘爪被甩出的临界离心力主要由弹簧的拉力决定,故根据机构各部分的设计要求对弹簧的强度及刚度进行分析.

1.3.1 阈值的确定在日常驾车中我们可以感觉到踩油门踏板和制动踏板存在明显时间差,根据对不同车型踩油门和踩刹车的动作时间调查[6],踩油门踏板的时间最低0.95 s,而踩刹车踏板时间最高0.15 s,两者存在着很大的时间差.对于不同的车辆,油门踏板的行程L也不相同.根据公式即可计算出油门踏板的速度和加速度.在本设计中以大众桑塔纳2000线控油门为例,取油门踏板的行程L0=88 mm,踩下油门踏板的时间t=0.1 s来进行研究,可求得油门踏板平均速度v=0.88 m/s,加速度为a0=17.6 m/s2.即当油门踏板的速度大于v=0.88 m/s或加速度大于a0=17.6 m/s2系统判断为误踩油门.

1.3.2 离心式离合器敏感弹簧的设计设计以大众桑塔纳2000版为例,油门踏板的行程L0=88 mm,踩油门时间t=0.1 s来进行研究,并要求装置锁止时,连接带被拉出的长度L1≤20 mm,则由：时锁止,则可得油门踏板此时速度为：v0=a0t0=0.844 8 m/s,对于不同的车型,可按结构要求、车型的具体尺寸进行设计.

（1）初步假设钢丝的直径d1=0.5 mm,弹簧的安装载荷P1=1.0 N,由设计手册表16.1-4[7],选用材料为重要用途碳素弹簧钢丝的Ⅲ类拉伸弹簧.由棘爪边长为b=8 mm,则弹簧的外径D2≤8 mm,采用RLⅠ半圆勾环.

（2）工作载荷P2为棘爪所受离心力,则P2=mv12/r=2.50 N,因弹簧为三类载荷拉伸弹簧,则弹簧工作极限载荷为

式（1）中,m为棘爪的质量,取m=7 g；r为棘爪质心到芯轴中心的距离,取r=28 mm；v1棘爪在锁死的临界速度值v1=v0k=3.21 m/s；k联动机构的传动比,取k=3.8.

（3）由弹簧的安装载荷P1和工作载荷P2及其工作长度h2,则可初定弹簧刚度P'为

式（2）中,h2为弹簧的工作长度,根据相关结构的设计取其为h2=5 mm.

（4）由弹簧为三类载荷拉伸弹簧,工作极限载荷Pi=3.125 N,查设计手册表2-16[8],选取钢丝直径d1=0.5 mm,弹簧中径D=6 mm,工作极限Pi=8.04 N,弹簧单圈刚度Pd'=2.860 N,初拉力P0=0.409 N的重要用途碳素弹簧钢丝弹簧.

由Pd'=2.860 N/mm及初定弹簧刚度P'=0.3 N/mm,则可计算出弹簧圈数n=Pd'/P'=9.53,取n=10,则可得弹簧原长为

由弹簧刚度P'=Pd'/n=0.286 mm,则可得安装载荷下弹簧的长度为

工作载荷下弹簧的长度为

由以上计算所得弹簧的主要设计尺寸如表1所示.

表1 棘轮敏感弹簧的设计尺寸Tab.1 The size ofthe ratchet sensitive spring

2 实验验证

2.1 实验装置安装

实验以桑塔纳2000油门踏板工作过程为模拟对象,设计了如图4的实验装置.该系统的主体结构为一铝制三脚架,油门踏板安装在前方的斜架上,锁止机构竖直固定在后面的横板上,连接带经过上方的导轨使油门踏板与锁止机构相连,打点计时器固定在后方的横板上,其伸出的纸带和连接带无滑动连接.

图4 实物安装Fig.4 Installation drawing

2.2 速度、加速度测量

实验采用打点计时器来测量油门踏板的速度和加速度.将两条纸带穿过打点计时器磨盘的上下两侧,并将其固定在油门踏板连接带上,使纸带能够随连接带同时被拉出.测量过程中,打点计时器每隔0.02 s向磨盘喷出一个电火花在纸带上打下一个点,因此,可以根据纸带上点的痕迹得到连接带被拉出的距离及所需的时间,再通过分析纸带上相邻点之间的间隔即可得出踏板的速度和加速度.通过实验得到不同情况下踩下油门踏板的测试结果如图5所示.

图5 实验测试结果Fig.5 The result ofthe test

由打点计时器的瞬时速度计算方法得：任取纸带上的一个中间点设为c点,其前后相邻两个点分别设为b点和d点,设其前后两点间的距离分别为lbc和lcd,则c的瞬时速度为

式（6）中,t为打点计时器打点的周期,t=0.02 s.

依次计算出各点的瞬时速度,取其最大值.对所采用的样本纸带分别进行测试计算,油门踏板在不同的下踩速度下,装置的锁止时间及踏板被踩下的距离如表2所示.

表2 实验结果Tab.2 Experimental results

从表2中能够看出本系统的实验数据和设计值大致相符,由于实际测试中机械结构间的摩擦和机构动作延时等因素,踏板速度和踏板下踩距离略有偏大,但已足够证明本设计的可行性,即在误踩油门踏板时快速有效的制动.

3 小结

此系统属于汽车安全主动控制的一种,避免了在紧急情况下驾驶员误踩油门而引发的汽车交通事故安全问题.本文通过正常加速与误踩油门时的速度差异,采用离心式离合器的原理设计了汽车油门防误踩锁止装置.在驾驶员误踩油门踏板时,该装置中的离心式离合器能够及时对油门踏板进行锁死,实现了误踩油门保护功能,提高了交通的安全性,有效地预防了交通故事的发生,保证了汽车的行驶安全.本机械结构是按照线控悬臂油门踏板进行设计的,对于一般的线控大行程的油门踏板,可根据具体的车型进行调节,但对于行程过小的电子油门,本机械装置有一定的局限性,本文不再做出阐述,将在以后结合电子系统进行研究.

[1]邱亚楠.汽车防误踩油门的自动刹车系统的研究[D].杭州：中国计量学院,2012：52.

[2]梅哲文,李晓佳,王明环,等.汽车油门防误踩紧急刹车装置[J].机械设计与制造,2010（10）：201-203.

[3]胡振奇,朱昌吉,李君,等.汽车防误踩加速踏板系统的研发[J].汽车工程,2011,33（8）：713-716.

[4]张亚,周国平,陆颖颉,等.新型智能汽车油门防误踩系统的研究[J].计算机测量与控制,2014,22（11）：3764-3766.

[5]张钦,金圭.汽车误踩油门纠错装置的设计汽车电器[J].汽车电器,2008,3（8）：4-6.

[6]陈松,张娜.基于AT89S52单片机的误踩油门控制器的设计[J].西昌学院学报（自然科学版）,2009,23（3）：73-75.

[7]闻邦椿.机械设计手册：连接、紧固与弹簧[M].北京：机械工业出版社,2014.

[8]秦大同,谢里阳.弹簧设计[M].北京：化学工业出版社,2013.

（责任编辑：卢奇）

The design of the mechanical locking device for anti-mistakenly stepped on the accelerator system with the speed threshold

GUO Hao,YUE Jia,CHEN Gongxiang,WU Chuanbao,ZHEN Ke
（School ofMechanical and Electrical Engineering,Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang 453003,China）

In order to prevent the driver stepping on the accelerator pedal mistakenly when deceleration is needed. In terms of the situation,a locking device of anti-mistakenly stepped on the accelerator pedal with speed threshold by analyzed the different instantaneous velocity of the pedal in different conditions was designed.The lock principle of the centrifugal clutch is used in the device,thus when the instantaneous speed of accelerator pedal is lower than the critical value at normal speed,the device is not locked；while the pedal is depressed mistakenly and the speed is greater than the threshold,the locking mechanism of the device will lock the accelerator pedal timely.This effectively prevents the occurrence of the accident due to mistakenly stepping on the pedal,and improves the active safety driving.Through the relevant data test for the simulation system,it showed that this device can meet the prompt accelerator lock function in the case of mistakenly stepped on.Compared with the previous anti-mistakenly stepped on the accelerator system,its reliability and accuracy are greatly improved.

trample accelerator error condition；the speed of pedal；mechanical lock

U463.5

A

1008-7516（2017）01-0065-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2017.01.013

2016-10-25

河南科技学院大学生创新训练计划项目（201510467003）

郭昊（1980—）,男,河南新乡人,博士,副教授.主要从事约束系统控制和高速高精度运动控制研究.